I lampi di marea delle stelle di neutroni possono indicare l’imminente fusione

I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo per prevedere alcune delle fusioni più catastrofiche dell’universo.

Gli oceani di particelle altamente cariche che circondano le stelle di neutroni possono sperimentare onde di marea quando i nuclei incredibilmente densi delle stelle di neutroni si muovono a spirale l’uno verso l’altro o in un buco nero. I ricercatori hanno scoperto che le onde di marea appaiono come lampi regolari di radiazioni elettromagnetiche, che potrebbero fungere da sistema di allerta precoce per l’avvicinarsi delle fusioni.

Le stelle di neutroni sono probabilmente le cose più estreme dell’universo. Sì, i buchi neri possono essere più esotici, ma sono relativamente semplici: è solo un sacco di grinta. Al contrario, le stelle di neutroni sono fondamentalmente nuclei atomici giganti, e questo viene fornito con molta fisica complessa interessante che i buchi neri non possono condividere.

Una tipica stella di neutroni ha un diametro di pochi chilometri, ma il suo peso può essere alcune volte la massa del Sole. È composto quasi interamente da neutroni (da cui il nome) ma contiene gruppi di elettroni sciolti, protoni e ioni di nuclei pesanti. Nascono da supernove – esplosioni di stelle massicce e morenti – e alcune di esse possono ospitare i campi magnetici più forti dell’intero universo.

Si pensa che il guscio esterno di una stella di neutroni sia costituito da elettroni superfluidi e neutroni che lasciano il posto a un reticolo cristallino mentre si avvicinano alla superficie. Infine, c’è un oceano: uno strato di elettroni liquidi, neutroni e ioni ovunque da 10 a 100 metri (da 33 a 330 piedi) di profondità.

Gli interni delle stelle di neutroni sono i più enigmatici, poiché le pressioni e la densità sono così intense da superare le nostre attuali conoscenze di fisica. Alcuni modelli suggeriscono che i nuclei siano solo una massa omogenea di neutroni, mentre altri suggeriscono che i neutroni stessi si dividano in quark componenti. All’esterno del nucleo interno c’è una massa dura e morbida di neutroni che si trasforma lentamente in schemi più complessi, come grumi e filamenti, noti collettivamente come pasta nucleare.

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Osservando lo strano comportamento delle stelle di neutroni
La natura estremamente peculiare della materia in queste condizioni – di solito non si trovano neutroni superfluidi in giro – consente alle stelle di neutroni di essere un ottimo candidato per lo studio della fisica estrema. Questa idea è stata rafforzata dalla scoperta di GW 170817, un segnale di onda gravitazionale che è stato rilevato insieme all’emissione elettromagnetica di due stelle di neutroni in fusione. La scoperta congiunta, chiamata astronomia multimodale, sta consentendo ai fisici di sondare il cuore delle stelle di neutroni come mai prima d’ora.

Ma da quando le onde gravitazionali sono state rilevate per la prima volta nel 2017, non abbiamo visto più eventi di fusione di stelle di neutroni, il che è frustrante, perché le stelle di neutroni sono tra i migliori laboratori della natura per testare la fisica delle alte energie.

Ma ora, un nuovo modo di osservare lo strano comportamento delle stelle di neutroni potrebbe significare che non dobbiamo più aspettare. Il nuovo lavoro, pubblicato a maggio nel database di preprint di arXiv, si concentra sugli oceani di stelle di neutroni, che, insieme a elettroni liberi e neutroni, possono contenere anche carbonio, ossigeno e ferro. Sebbene gli oceani siano relativamente poco profondi rispetto alla profondità dell’intera stella di neutroni, è lo strato più esterno (esclusa l'”atmosfera” incredibilmente sottile) e la parte della stella di neutroni che interagisce facilmente con l’universo esterno. In particolare, i ricercatori hanno scoperto che questi oceani poco profondi possono supportare le maree, proprio come fanno gli oceani sulla Terra. Ma alzare la marea su una stella di neutroni richiede un po’ più di attrazione gravitazionale per superare tutta quell’intensa attrazione gravitazionale. Le maree compaiono sulle stelle di neutroni solo quando la stella di neutroni è abbastanza vicina a un oggetto denso e denso, come un’altra stella di neutroni o un buco nero.

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Fortunatamente, questi tipi di coppie binarie sono relativamente comuni, poiché le stelle tendono a formarsi in più sistemi e poi continuano i loro cicli vitali, lasciandosi infine dietro ammassi di buchi neri e stelle di neutroni. strani fari
Quando una stella di neutroni inizia a fondersi con un’altra stella di neutroni o buco nero, gli oggetti trascorrono lentamente alcuni anni l’uno verso l’altro. Mentre ruota, le onde gravitazionali portano via l’energia dal sistema, avvicinando la coppia. Infine, negli ultimi istanti, la fusione finisce nel giro di pochi secondi.

Ma prima che ciò accada, il compagno in orbita può innescare una cascata di marea sulla stella di neutroni. Queste maree possono mantenere frequenze fino a 100 MHz e trasportare fino a 10^29 joule di energia. Per darti un’idea di quanto sia fantastico questo numero, ogni anno tutta l’umanità usa solo 10^20 joule. Una singola onda di marea risonante di una stella di neutroni ha un’energia maggiore della piena energia emessa dalla luminosità del sole per 10.000 anni. A differenza delle onde oceaniche, queste maree sono costituite da un oceano di plasma. Le intense cariche elettriche significano che quando le maree rallentano, possono emettere potenti esplosioni di radiazioni elettromagnetiche, che possono apparire a noi come lampi di raggi X e raggi gamma.

Sulla base dei loro calcoli, i ricercatori stimano che gli osservatori spaziali, come il Fermi Gamma Ray Space Telescope e il Nuclear Spectroscopic Telescope (NuSTAR), possono rilevare una manciata di ispirazioni di stelle di neutroni ogni anno e che questi segnali appariranno anche pochi anni prima la fusione definitiva. Con questo tipo di avviso, gli astronomi possono preparare i loro telescopi e osservatori in modo che siano pronti a catturare il momento della fusione stessa e cercare dati più preziosi sulle onde elettromagnetiche e sulla gravità.

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Giustina Rizzo

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